船舶柴油機(jī)調(diào)速器

船舶柴油機(jī)電子調(diào)速器

原理及應(yīng)用

——VIKING電子調(diào)速器指導(dǎo)老師：聶延生答辯人：田宇璽1.調(diào)速裝置的功能及必要性柴油機(jī)上均要用到調(diào)速裝置，這是柴油機(jī)自身的特點(diǎn)——由扭矩速度特性及噴油泵速度特性所決定的。目的：根據(jù)柴油機(jī)負(fù)荷變化自動(dòng)調(diào)節(jié)柴油機(jī)循環(huán)供油量，保證柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定，從而保證柴油機(jī)具有良好的工作性能。1.1柴油機(jī)扭矩速度特性燃燒輸出扭矩變化不大；阻力扭矩（外負(fù)荷）微變轉(zhuǎn)速大變；★而船舶電站的負(fù)載是多變的，柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速波動(dòng)太大，電站就無(wú)法提供有穩(wěn)定頻率的電源，電源質(zhì)量就不得保證。電能的質(zhì)量指標(biāo)：電壓和頻率的穩(wěn)定性1.2柴油機(jī)噴油泵速度特性在沒(méi)有調(diào)速機(jī)構(gòu)的情況下：負(fù)載減小循環(huán)供油量增加；（柱塞套油孔的節(jié)流作用）負(fù)載增大循環(huán)供油量減少；★兩種惡性循環(huán)會(huì)導(dǎo)致超速運(yùn)行和意外熄火情況發(fā)生2.調(diào)速器的種類(lèi)機(jī)械式調(diào)速器（對(duì)于大型柴油機(jī)，調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)摩擦阻力較大，靈敏度低）液壓式調(diào)速器（結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造精度要求高，成本高，只用于大功率機(jī)型）電子調(diào)速器（結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，精度高，易于自動(dòng)化，成本低）（附圖）左圖：機(jī)械式調(diào)速器工作原理示意圖右圖：液壓式調(diào)速器工作原理示意圖3.調(diào)速器的種類(lèi)（發(fā)展方向）能源短缺，環(huán)保問(wèn)題，微電子技術(shù)和控制理論的發(fā)展極對(duì)自動(dòng)化水平要求的提高，推動(dòng)了柴油機(jī)電控技術(shù)，特別是以微機(jī)為核心的數(shù)字式電子控制技術(shù)的發(fā)展?，F(xiàn)代控制理論，自適應(yīng)控制，自學(xué)習(xí)系統(tǒng)等的進(jìn)展使電子調(diào)速器具有調(diào)節(jié)精度高，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，是今后調(diào)速器的主要發(fā)展方向。4.電子調(diào)速器★發(fā)展歷程：20世紀(jì)70年代：模擬電子調(diào)速器；（主要由電阻、晶體管和運(yùn)算放大器組成）20世紀(jì)80年代：由微處理器（MPU）和數(shù)字電路組成的數(shù)字式電子調(diào)速器；90年代以來(lái)，數(shù)字式電子調(diào)速器在工作可靠性、調(diào)速控制性能、人機(jī)操作界面等各方面都得到了大幅度提升，成為市場(chǎng)主流。4.電子調(diào)速器★具有代表性的電子調(diào)速器：日本NABCO公司的MG-800數(shù)字調(diào)速器德國(guó)REGULATEURSEUROPA公司生產(chǎn)的Viking系列電子調(diào)速器SEIMENS公司的SPC-33系列數(shù)字調(diào)速器德國(guó)MTU公司的R082型數(shù)字調(diào)速器美國(guó)WOODWARD公司的PROACT系列電子調(diào)速器4.1電子調(diào)速器工作原理脈沖式轉(zhuǎn)速傳感器脈沖信號(hào)（負(fù)反饋）頻率—電壓轉(zhuǎn)換模擬電壓量數(shù)字信號(hào)比較偏差PID運(yùn)算控制量功率放大后的控制量執(zhí)行器驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)4.2PID控制★主要運(yùn)用于大慣性、大時(shí)延的控制對(duì)象D：（微分控制）阻止偏差進(jìn)一步變大，是根據(jù)被控量變化趨勢(shì)來(lái)進(jìn)行提前控制P：（比例控制）快速控制減少動(dòng)態(tài)偏差，偏差越大，控制作用就越大I：（積分控制）逐漸消除靜態(tài)偏差，控制作用與被控量之間無(wú)硬性關(guān)系4.2PID控制★PID調(diào)節(jié)器特點(diǎn)：具有可調(diào)節(jié)的動(dòng)態(tài)參數(shù)，所以相同的調(diào)速器可以與一些具有不同動(dòng)態(tài)參數(shù)的裝置相匹配輸出信號(hào)同時(shí)傳達(dá)給執(zhí)行機(jī)構(gòu)和燃料板，并接收燃料板位置給出的內(nèi)反饋或外反饋，達(dá)到限制燃料的目的★隨著科技的發(fā)展，控制器除采用PID控制外，模糊控制、最優(yōu)控制、自適應(yīng)控制等也逐漸被采用并不斷趨向成熟5.VIKING電子調(diào)速器德國(guó)REGULATEURSEUROPA公司生產(chǎn)的Viking系列電子調(diào)速器中的一員當(dāng)今世界最先進(jìn)電子調(diào)速器的代表之一我國(guó)煙臺(tái)—大連火車(chē)輪渡船舶所應(yīng)用的電子調(diào)速器5.VIKING電子調(diào)速器★用于高精度發(fā)電機(jī)組，是一種雙脈沖電子調(diào)速器：?jiǎn)蚊}沖調(diào)速器只進(jìn)行轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，而轉(zhuǎn)速變化滯后于負(fù)載變化，此調(diào)節(jié)使柴油機(jī)輸出波動(dòng)較大。雙脈沖調(diào)速器可以在分析了由轉(zhuǎn)速傳感器和負(fù)載傳感器得來(lái)的兩種信號(hào)后，在轉(zhuǎn)速未發(fā)生明顯變化前改變供油量。5.VIKING電子調(diào)速器★轉(zhuǎn)速控制分為：轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)部分：由檢測(cè)出的偏差轉(zhuǎn)速得出相應(yīng)的控制油量信號(hào)1燃油限制部分：輪機(jī)長(zhǎng)設(shè)定最大油量信號(hào)2、轉(zhuǎn)矩限制允許最大油量信號(hào)3、增壓空氣壓力限制允許最大油量信號(hào)4由1、2、3、4中選出最小值，作為伺服器油量設(shè)定值，并通過(guò)伺服器來(lái)改變供油量（附圖）轉(zhuǎn)速控制示意圖5.1轉(zhuǎn)速的測(cè)取★轉(zhuǎn)速信號(hào)是由兩個(gè)轉(zhuǎn)速傳感器的測(cè)速頭測(cè)取的：低頻的主轉(zhuǎn)速傳感器1號(hào)，其信號(hào)源于柔性聯(lián)軸節(jié)載荷側(cè)的標(biāo)記。高頻的從轉(zhuǎn)速傳感器2號(hào)，其這個(gè)信號(hào)源于啟動(dòng)器(電動(dòng)機(jī))輸出環(huán)齒如果在兩個(gè)測(cè)出值間有超過(guò)2轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速差，系統(tǒng)將自動(dòng)選用較高的那個(gè)轉(zhuǎn)速信號(hào)（附）轉(zhuǎn)速傳感器（結(jié)構(gòu)原理）轉(zhuǎn)速傳感器是由一個(gè)裝在線圈內(nèi)的磁棒構(gòu)成安裝在與柴油機(jī)曲軸同步運(yùn)轉(zhuǎn)的飛輪齒圈緣處當(dāng)磁棒頂端與飛輪齒圈輪齒間產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，使線圈感應(yīng)出交變脈沖頻率信號(hào)此脈沖作為負(fù)反饋被送入控制器5.2轉(zhuǎn)速設(shè)置★轉(zhuǎn)速設(shè)置是通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)作用調(diào)整供油。即通過(guò)檢測(cè)偏差轉(zhuǎn)速，將其按照PI或PID規(guī)律運(yùn)算后輸出相應(yīng)的控制油量信號(hào)1★轉(zhuǎn)速設(shè)置初始化開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，設(shè)置的轉(zhuǎn)速必須初始化為怠速轉(zhuǎn)速5.3燃油限制（負(fù)荷限制）★在進(jìn)行轉(zhuǎn)速自動(dòng)控制時(shí)，柴油機(jī)的供油量是由調(diào)速器根據(jù)偏差轉(zhuǎn)速大小來(lái)控制的調(diào)速器為了把柴油機(jī)的轉(zhuǎn)速快速調(diào)節(jié)到設(shè)定轉(zhuǎn)速，有可能使主機(jī)供油量太大而超載，為此遙控系統(tǒng)應(yīng)對(duì)柴油機(jī)的供油量進(jìn)行限制5.3燃油限制（負(fù)荷限制）★四種燃油限制：?jiǎn)?dòng)時(shí)燃油限制增壓空氣壓力燃油限制轉(zhuǎn)矩燃油限制附加燃油限制5.3.1啟動(dòng)燃油限制★要使柴油機(jī)順利地起動(dòng)起來(lái)，必須在柴油機(jī)起動(dòng)時(shí)供給適量的燃油為了使起動(dòng)供油量不受設(shè)定轉(zhuǎn)速的影響，實(shí)現(xiàn)定油量起動(dòng)，遙控系統(tǒng)在柴油機(jī)起動(dòng)期間自動(dòng)阻斷設(shè)定轉(zhuǎn)速命令，給出一個(gè)最佳起動(dòng)轉(zhuǎn)速及最大允許起動(dòng)油量，以確保柴油機(jī)能安全可靠地起動(dòng)5.3.2增壓空氣壓力限制★柴油機(jī)在低負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，增壓器輸出的增壓空氣壓力較低，如果這時(shí)如給柴油機(jī)注入太多的燃油，就會(huì)出現(xiàn)油多氣少的現(xiàn)象，導(dǎo)致燃燒不充分而冒黑煙為了防止加速過(guò)程中冒黑煙的現(xiàn)象，遙控系統(tǒng)將自動(dòng)按增壓空氣壓力的高低來(lái)限制柴油機(jī)的供油保證噴入氣缸的燃油充分燃燒，同時(shí)也可防止柴油機(jī)受熱件的過(guò)熱現(xiàn)象5.3.2增壓空氣壓力限制★增壓空氣壓力—供油量函數(shù)5.3.3轉(zhuǎn)矩限制★在高負(fù)荷運(yùn)行時(shí)，限制柴油機(jī)的機(jī)械負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)對(duì)柴油機(jī)得得保護(hù)5.3.4附加燃油限制★附加燃油限制是作為模擬輸入信號(hào)的一個(gè)函數(shù)對(duì)燃油的一種控制5.4傳感器失效★Viking的一些傳感器會(huì)因輸出的電流信號(hào)小于2毫安而失效，進(jìn)而導(dǎo)致柴油機(jī)停車(chē)?！镞@些傳感器有：增壓空氣壓力傳感器附加傳感器功率傳感器載荷控制傳感器基本載荷傳感器5.5常規(guī)故障報(bào)警各種傳感器的失效報(bào)警執(zhí)行機(jī)構(gòu)線路斷開(kāi)報(bào)警VikingVision程序發(fā)出停車(chē)命令的報(bào)警無(wú)接收錯(cuò)誤報(bào)警齒條限制偏差報(bào)警轉(zhuǎn)速控制差錯(cuò)報(bào)警多主錯(cuò)誤報(bào)警內(nèi)存失效報(bào)警聯(lián)結(jié)斷開(kāi)報(bào)警6.負(fù)載分配★負(fù)載分配的控制目標(biāo)：保證負(fù)載分配的精度保證負(fù)載分配的穩(wěn)定避免負(fù)載震蕩

★兩種分配方法：齒條主控/從屬同步孤島式下降式6.1負(fù)載分配方法1★傳統(tǒng)方法：通過(guò)速度降實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)并車(chē)，轉(zhuǎn)速設(shè)定值就應(yīng)減小從空載增加到滿負(fù)載時(shí)，速度下降量用下降百分比來(lái)表示6.2負(fù)載分配方法2（Viking）★電子調(diào)速器：數(shù)臺(tái)柴油機(jī)等時(shí)負(fù)載分配。是一個(gè)速度降為零的恒速系統(tǒng)?！镏鳈C(jī)：根據(jù)燃油量相等原理進(jìn)行分配當(dāng)兩臺(tái)主機(jī)并行時(shí)，主控調(diào)速器（先合上斷路器的調(diào)速器）向從屬調(diào)速器發(fā)出與燃料板位置成比例的信號(hào)，燃料板相互間用電聯(lián)動(dòng)，兩主機(jī)同時(shí)作用于負(fù)載，由此消除負(fù)載震蕩6.2負(fù)載分配方法2（Viking）★發(fā)電柴油機(jī)：柴油機(jī)上附加一個(gè)負(fù)載傳感器，調(diào)速器由此得到測(cè)出的發(fā)電機(jī)負(fù)載信號(hào)，并用此信號(hào)與平均負(fù)載信號(hào)比較，得出偏差信號(hào)，以此進(jìn)行調(diào)節(jié)附1：各個(gè)調(diào)速器之間可以通過(guò)EIA485聯(lián)機(jī)互相連接，它們都有單獨(dú)的地址號(hào)碼附2：所有的通信都被一個(gè)16B的CRC（循環(huán)冗余碼校驗(yàn)）值保護(hù)，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。如果數(shù)據(jù)不可靠，它將不被采用，接收單元將等待下一次的傳輸7.展望★對(duì)于電子調(diào)速器，還要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的研究：應(yīng)用現(xiàn)代控制技術(shù)進(jìn)一步提高調(diào)速性能，減少有害排放；增壓柴油機(jī)的調(diào)速控制；并機(jī)運(yùn)行負(fù)荷分配的控制；關(guān)鍵部件的研究；多功能開(kāi)發(fā)。